城市雨水管網(wǎng)脆弱性評價(jià)研究

張羽

（合肥中盛水務(wù)發(fā)展有限公司， 合肥 230000）

近年來， 城市雨水管網(wǎng)面臨著緊迫的挑戰(zhàn)。 城市化、 人口變化、 氣候變化以及雨水管網(wǎng)本身的脆弱性， 導(dǎo)致暴雨過后雨水徑流無法及時(shí)排放， 內(nèi)澇災(zāi)害頻繁發(fā)生［1］， 威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全， 影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。 因此， 掌握城市雨水管網(wǎng)的運(yùn)行狀況， 識(shí)別管網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)， 提高管網(wǎng)抵抗風(fēng)險(xiǎn)的能力十分必要， 這可以通過脆弱性評價(jià)實(shí)現(xiàn)。 脆弱性源于對自然災(zāi)害的研究， 可以解釋為災(zāi)害對系統(tǒng)的不利影響程度［2］。 脆弱性分析已應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域， 如自然災(zāi)害管理、 生態(tài)學(xué)、 可持續(xù)發(fā)展、 環(huán)境保護(hù)、 土地使用管理、 供水系統(tǒng)等［3-4］， 但目前在雨水管網(wǎng)領(lǐng)域的研究較少。 本文依據(jù)現(xiàn)狀， 系統(tǒng)地介紹雨水管網(wǎng)脆弱性評價(jià)常用指標(biāo)和方法。

1 城市雨水管網(wǎng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)

城市雨水管網(wǎng)的脆弱性是指城市雨水管網(wǎng)在外部環(huán)境變化發(fā)生時(shí)， 表現(xiàn)出的容易受不利因素?cái)_動(dòng)程度和缺乏應(yīng)對不利因素的能力， 從而導(dǎo)致雨水無法及時(shí)排除的一種特性［5］。 脆弱性評價(jià)是城市雨水管網(wǎng)應(yīng)對不利因素的一種重要工具。 脆弱性評價(jià)的通常思路是： 首先分析影響雨水管網(wǎng)脆弱性的因素， 從影響因素中選取科學(xué)合理的評價(jià)指標(biāo)， 構(gòu)建脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系， 然后選取符合雨水管網(wǎng)特征的脆弱性評價(jià)方法， 建立脆弱性評價(jià)模型， 得到雨水管網(wǎng)的脆弱程度。

1.1 評價(jià)指標(biāo)選取原則

城市雨水管網(wǎng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)是脆弱性評價(jià)的基本要素， 要能夠反映雨水管網(wǎng)的脆弱性影響因素， 準(zhǔn)確分析脆弱性程度。 建立科學(xué)合理的評價(jià)指標(biāo)體系才能得到正確可靠的評價(jià)結(jié)果。 評價(jià)指標(biāo)的選取主要遵循可比性、 全面性、 系統(tǒng)性和簡潔性的原則［6］。

構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)始終圍繞評價(jià)目標(biāo)， 注重評價(jià)指標(biāo)的可比性。 影響雨水管網(wǎng)脆弱性的因素有很多， 涉及多個(gè)方面， 評價(jià)指標(biāo)應(yīng)包含城市雨水管網(wǎng)脆弱性的各種影響因素， 不能太少， 要全面反映雨水管網(wǎng)的特征［7］； 也不能過于龐雜， 應(yīng)該具有系統(tǒng)性， 各指標(biāo)之間不應(yīng)是簡單隨意地排列， 而應(yīng)在邏輯上具有一定的關(guān)聯(lián)性。 當(dāng)評價(jià)指標(biāo)體系中存在重復(fù)或相互關(guān)聯(lián)的指標(biāo)時(shí)， 要進(jìn)行取舍， 選擇對脆弱性影響程度更大， 也更容易獲得的指標(biāo)。

1.2 脆弱性評價(jià)指標(biāo)

影響城市雨水管網(wǎng)脆弱性的因素有很多， 考慮所有影響因素將會(huì)給評價(jià)和計(jì)算帶來巨大的工作量， 所以要根據(jù)雨水管網(wǎng)的特征， 選擇有代表性的脆弱性評價(jià)指標(biāo)。 目前研究中， 大多是根據(jù)城市雨水管網(wǎng)脆弱性定義將評價(jià)指標(biāo)分為物理脆弱性指標(biāo)和社會(huì)脆弱性指標(biāo)。 物理脆弱性指標(biāo)通常選取雨水口數(shù)量、 位置和泄水能力， 雨水管管徑、 管材、 管道坡度， 雨水泵站和調(diào)蓄構(gòu)筑物調(diào)節(jié)能力作為影響因子； 社會(huì)脆弱性指標(biāo)通常選擇城市透水地面率、綠化覆蓋率、 城市環(huán)衛(wèi)水平、 雨水系統(tǒng)的管理水平、 政府財(cái)政投入比作為影響因子。

2 城市雨水管網(wǎng)脆弱性評價(jià)方法

對于脆弱性評價(jià)， 有以下幾種評價(jià)方法： 綜合指數(shù)法、 函數(shù)模型法、 基于GIS 的圖層疊置法、 危險(xiǎn)度分析法和模糊物元評價(jià)法［8］。 常應(yīng)用于評價(jià)城市雨水管網(wǎng)脆弱性的主要是綜合指數(shù)法、 函數(shù)模型法以及基于GIS 的圖層疊置法。

2.1 綜合指數(shù)法

綜合指數(shù)法是利用如層次分析法［9］、 加權(quán)、 模糊綜合評價(jià)等數(shù)學(xué)方法合成一個(gè)脆弱性綜合指數(shù)來量化系統(tǒng)脆弱性程度， 評價(jià)指標(biāo)體系主要反映脆弱性的原因和表現(xiàn)特征， 是目前在雨水管網(wǎng)應(yīng)用最多的脆弱性評價(jià)方法。 龍浩等［10］以蘇州市雨水管網(wǎng)為例， 利用層次分析法確定脆弱性指標(biāo)的權(quán)重， 雨水管網(wǎng)的脆弱性指數(shù)通過加權(quán)計(jì)算， 由此建立了雨水管網(wǎng)脆弱性評價(jià)模型。 陳偉珂等［11］構(gòu)建的排水管網(wǎng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系是基于VSD 模型， 從暴露度、 敏感性、 適應(yīng)能力3 個(gè)方面進(jìn)行分析， 初始數(shù)據(jù)采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法處理， 確定指標(biāo)的變權(quán)權(quán)重， 通過加權(quán)計(jì)算得到綜合評價(jià)指數(shù)。 侯強(qiáng)［12］基于網(wǎng)絡(luò)分析法確定管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、 工況以及外部影響3個(gè)雨水管網(wǎng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重， 采用模糊綜合評價(jià)法建立脆弱性評價(jià)模型。

綜合指數(shù)法原理簡單， 使用起來較為容易， 但缺乏和雨水管網(wǎng)脆弱性內(nèi)涵之間的聯(lián)系。 脆弱性評價(jià)指標(biāo)的選擇和權(quán)重的確定尚沒有有效的方法。 評價(jià)指標(biāo)多為定性指標(biāo)， 缺乏量化， 未完全考慮脆弱性各影響因素間的相互作用。 綜合指數(shù)法得到的雨水管網(wǎng)脆弱性指數(shù)的有效性難以得到驗(yàn)證。

2.2 函數(shù)模型法

函數(shù)模型法是直接構(gòu)造一個(gè)計(jì)算雨水管網(wǎng)脆弱性等級的函數(shù)模型。 首先定量評估脆弱性的每個(gè)影響因子， 然后研究脆弱性影響因子之間如何相互作用， 最終構(gòu)造雨水管網(wǎng)脆弱性函數(shù)評價(jià)模型。 趙瑞垠［13］從雨水收集和排出兩方面對雨水管網(wǎng)進(jìn)行分析， 在已知降雨量的條件下， 根據(jù)修正后的單位時(shí)間雨水實(shí)際地面流量與實(shí)際進(jìn)入管道的雨量之比確定脆弱性的計(jì)算公式， 并應(yīng)用于西安市某高校的雨水管網(wǎng)脆弱性計(jì)算。 Zhang 等［14］提出通過總洪量與暴雨過后的地表徑流之比表示不能通過排水管排除的徑流的比率， 進(jìn)而計(jì)算脆弱性指數(shù)， 衡量大連市排水系統(tǒng)的脆弱性。

函數(shù)模型法基于對雨水管網(wǎng)脆弱性的理解構(gòu)建評價(jià)模型， 因而和綜合指數(shù)法相比， 其與脆弱性內(nèi)涵的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)， 可以體現(xiàn)脆弱性要素間的關(guān)系，評價(jià)結(jié)果可以很好地反映系統(tǒng)脆弱性程度。 目前對于脆弱性尚沒有統(tǒng)一的概念， 因而對其理解具有一定的主觀性， 關(guān)于脆弱性構(gòu)成要素的定量評估也較難完全實(shí)現(xiàn)。

2.3 基于GIS 的圖層疊置法

隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展， GIS 技術(shù)開始成為脆弱性評價(jià)的工具， 基于這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展起來的脆弱性評價(jià)方法即圖層疊置法， 在城市排水系統(tǒng)領(lǐng)域也有所應(yīng)用。 M?derl 等［15］基于地理信息系統(tǒng)開發(fā)了VulNetUD 軟件， 通過城市排水系統(tǒng)的水動(dòng)力模擬來計(jì)算系統(tǒng)組件變化的影響， 使用預(yù)定義的性能指標(biāo)來評估異常、 關(guān)鍵和未來?xiàng)l件下的城市排水系統(tǒng)， 專門幫助管理人員在異?；蚓o急情況下識(shí)別城市排水系統(tǒng)的脆弱點(diǎn)， 可以自動(dòng)生成用于風(fēng)險(xiǎn)分析的城市排水系統(tǒng)內(nèi)在脆弱性地圖。

評價(jià)區(qū)域受到極端災(zāi)害影響下的脆弱性時(shí)使用此方法評價(jià)效果較好。 基于GIS 的圖層疊置法相較于綜合指數(shù)法和函數(shù)模型法， 由于使用地理信息系統(tǒng)技術(shù)， 可以反映區(qū)域?yàn)?zāi)害脆弱性和區(qū)域受到擾動(dòng)時(shí)的敏感程度、 擾動(dòng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)以及應(yīng)對不利影響的能力在空間上的差異。 但這種方法對于不同擾動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)考慮不多， 也沒有考慮到不同擾動(dòng)對雨水管網(wǎng)整體脆弱性影響程度有所不同， 不同因素對管網(wǎng)脆弱性的影響程度在評價(jià)結(jié)果中難以得到展示， 對如何抵抗擾動(dòng)帶來的不利影響、 減少系統(tǒng)脆弱性不能很好地提供有效建議。

3 結(jié)論

脆弱性是系統(tǒng)可能遭受擾動(dòng)或壓力所導(dǎo)致的傷害的程度。 評價(jià)城市雨水管網(wǎng)的脆弱性可以有效掌握雨水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)， 并根據(jù)評價(jià)結(jié)果建立全面的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施， 對于防止雨水管網(wǎng)損害、 減輕遭遇風(fēng)險(xiǎn)后的損失以及提高恢復(fù)能力至關(guān)重要。 本文列舉分析了城市雨水管網(wǎng)脆弱性評價(jià)的常用指標(biāo)和方法。 現(xiàn)階段對于雨水管網(wǎng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)采用最多的是物理脆弱性指標(biāo)和社會(huì)脆弱性指標(biāo)， 這些評價(jià)指標(biāo)沒有考慮所有脆弱性影響因素， 欠缺對不同評價(jià)指標(biāo)間相互作用關(guān)系的考慮， 評價(jià)指標(biāo)缺乏量化。 對于指標(biāo)權(quán)重的確定大多采用層次分析法， 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重受評判者主觀影響較大， 且指標(biāo)過多時(shí)， 數(shù)據(jù)的計(jì)算量過大， 權(quán)重不易確定。為了更準(zhǔn)確客觀地確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重， 可以嘗試將給水管網(wǎng)脆弱性評價(jià)中的主成分分析、 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法用于指標(biāo)權(quán)重的確定。

常應(yīng)用于評價(jià)雨水管網(wǎng)脆弱性的綜合指數(shù)法、函數(shù)模型法和基于GIS 的圖層疊置法各有利弊， 要開發(fā)更加合理有效的評價(jià)方法和適用于大多數(shù)城市雨水管網(wǎng)的脆弱性評價(jià)體系。 現(xiàn)在城市雨水管網(wǎng)問題突出， 內(nèi)澇影響嚴(yán)重， 在雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化中引入雨水管網(wǎng)脆弱性評價(jià)， 對城市內(nèi)澇等問題的解決具有理論意義和應(yīng)用前景。 現(xiàn)階段關(guān)于雨水管網(wǎng)脆弱性研究還更多處于理論階段， 需要在條件適宜的地區(qū)小范圍應(yīng)用到前端設(shè)計(jì)與優(yōu)化中驗(yàn)證并完善， 最終改善雨水管網(wǎng)面臨的問題。